화학공학소재연구정보센터
  • 망간/망간 접합면에서의 저항성 스위칭 효과 발견등록일 : 2011/10/02
  • 저항성 스위칭을 통해 비휘발성 저항 메모리 소자를 실현하고자 하는 연구는 꾸준히 되고 있다. 일반적인 쌍극 스위칭을 위한 소자는 하나의 유전체나 반도체층이 두 금속 전극 사이에 삽입된 간단한 구조를 갖지만, 그 물리적 메커니즘은 아직도 명확하지 않다. 토포그래피 (topography)와 국소 전도성을 조사할 수 있는 C-AFM (Conductive Atomic Force Microscopy)은 저항성 스위칭을 재료 특성과 함께 조사하기 위해 이상적인 도구 (툴)로 알려진다. 하지만, 지금까지 망간에 기초한 저항성 스위칭을 C-AFM을 이용한 연구는 제한적이며, 결점(defects) 와 저항성 스위칭의 상호 관계에 대한 조사는 이루어진 바가 없다.
    망간으로 이루어진 나노크기의 기둥 (nanocolumn)의 접합면 사이에서 쌍극 저항성 스위칭 특성이 관찰됐다. Al(2)O(3) 기판위의 La(0.7)Sr(0.3)MnO(3) 박막에 대해 C-AFM (Conductive Atomic Force Microscopy)를 이용해 grain 경계에서 저항성 스위칭을 직접 관찰할 수 있었고, 터널 자기 저항 (TMR; Tunnel Magnetoresistance) 특성을 측정하였다. 저항성 스위칭 특성과 조합하여 네가지 다른 저항 상태를 갖는다.

    40-80 nm의 두께를 갖는 La(0.7)Sr(0.3)MnO(3) (LSMO) 박막이 유기금속 에어졸 증착 (metalorganic aerosol deposition) 테크닉을 이용하여 Al(2)O(3) 기판위에 성장되었다. XRD (X-Ray Diffraction)에 따라 박막은 (111) 결정 방향성을 갖고, 0.386 nm의 격자 간격을 갖는다고 분석됐다. 그림 1(a)는 일반적인 SEM (Scanning Electron Microscopy) 이미지를 보여주고, 그림 1(b)는 결정 grain 경계의 TEM (Transmission Electron Microscopy) 이미지를 보여준다. 샘플들은 Leo Supra 35 (Zeiss) microscope을 이용하여 전자빔 리소그래피에 의해 구조화 되었다. 전극은 증발법으로 증착되었고, 망간 브릿지 (bridges)의 폭은 1-5 um, 전극 사이의 거리는 10-20 um로 디자인되었다. 샘플들은 그림 2(a)에서 볼수 있듯이, 쌍극 저항성 스위칭을 보인다. 초기에 샘플들은 높은 저항 상태 (HRS) 에 있고, 전류가 증가함으로서, HRS 에서 LRS (Low Resistive State-낮은 저항 상태)로 바뀌게 되며, 스위칭 전압은 2-10 V로 관찰됐다. 반대 극의 전계를 인가하면 LRS에서 HRS로 바뀌게 된다. 저항성 스위칭은 매우 국소적이기 때문에, 국소적인 구조 차이가 전압의 차이를 갖도록 하는 것으로 보인다.

    그림 2(a)에서 제시된 R(I) 특성, 즉 터널 자기저항 (TMR-Tunnel Magnetoresistance)이 5-10 K의 온도에서 얻어졌다. TMR 비율은 5-34 %로 얻어지며, 다른 비율의 분포는 다른 구조와 샘플에 의한 것이다. 그림 2(b)의 내부그림은 쌍극 스위칭 곡선을 보여준다. 자계에 대한 저항의 변화가 측정되었으며, HRS 와 LRS에서 TMR과 같은 곡선이 발견되었고, 그림 2(b)에 제시되어 있다. TMR과 저항성 스위칭의 조합은 네개의 다른 저항 상태를 야기시킨다. 이러한 특성은 MgO에 기초한 자성 터널 접합 (MTJ; Magnetic Tunnel Junction)에서도 관찰된 바 있다.

    그림 3(a)는 토포그래피와 스위치된 면적의 전류 맵 (map)을 보여준다. 이 스캔전에, 비교적 높은 +5 V의 전압이 팁에 인가되었고, 저항을 국소적으로 LRS로 스위치시켰다. 전류-전압 곡선은 HRS와 LRS 영역으로 분류되었고, 평균화된 LRS 곡선에서 kinks (화살표로 표시)를 관찰할 수 있었다. 그림 3(c)와 (e)는 더 큰 스캔 면적 (1 x 1 um)에 대한 토포그래피와 전류 맵을 보여준다. 제시된 이미지는 밑에서 위로 스캔된 이미지로서, 청색의 점선 밑 부분이 먼저 측정되었다. 이미지의 윗부분에서 관찰된 것처럼, 몇몇 영역은 HRS에서 LRS로 스위치 된 것을 관찰할 수 있다. HRTEM (High Resolution Transmission Electron Microscopy)과 AFM 이미지를 비교함으로서, 토포그래피에서 볼수 있는 islands와 grain 하나하나의 연관성을 관찰할 수 있다. 그림 3(c)에서 볼 수 있는 토포그래피내의 grain 경계를 강조하기 위해, 높이의 변화 (gradient)가 그림 3(d)에 표시되었다. 그림 3(c)에서 나타난 토포그래피 이미지의 차이점은 높은 전압 인가후 변화된 팁의 변화를 보여준다. 이 변화는 저항성 스위칭 이후 높은 전류의 흐름 때문으로 분석된다.

    이 연구는 저항성 스위칭이 박면 표면뿐 아니라, 나노 기둥 하나하나를 분리시키는 접합면에서도 일어남을 관찰하였고, 망간/망간 접합면에서 저항성 스위칭을 관찰함으로서, 네 개의 다른 저항 상태를 보이고, 이 상태들은 다기능 메모리에 기초가 되는 자계와 전계의 조합으로 구현될수 있음을 시사한다.
  • 키워드 : 원자 현미경, 자성 접합면, 자성 스위칭, 터널 자기저항
  • 출처 : KISTI 미리안 글로벌동향브리핑